JP4670205B2

JP4670205B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP4670205B2
Application number: JP2001254177A
Authority: JP
Inventors: 啓司渡辺; 俊孝小川; 悟飛田
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2003062994A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オフィス用並びに産業用インクジェットプリンタで使用されるオンデマンド型インクジェットヘッドの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オンデマンド型インクジェットにはインクを噴射する方式として、電気ヒータによりインク中に気泡を発生させてインクを噴射するサーマル方式と、圧電素子を用いて圧力室の壁面の一部を変形させてインクを噴射する圧電素子方式とがある。
【０００３】
サーマル方式はリソグラフィ技術により微細な加工が可能で、ノズルピッチを１００μｍ以下に出来る長所があるが、噴射する液体の沸点が１００℃程度に限定され、上記沸点の制限は使用可能なインクの種類を制限するため、産業応用の面では支障になることがある。
【０００４】
圧電素子方式はサーマル方式と違って、インクの種類を選ばないという利点があり、産業応用に適しているといえる。
【０００５】
本発明は圧電素子方式に関するものである。
【０００６】
圧電素子方式も構造から見て、３種類に分類できる。第一は圧電素子のブロックに溝を設け、溝の壁に電極を設けて壁をシェアモードで動かしてインクを吐出するものである。第二は圧電素子プレートを振動板に貼り付け、圧電素子の曲げモードで駆動するものである。第三は長い棒状の圧電素子を振動板に直角に貼り付け、圧電素子の伸縮モードで駆動するものである。本発明は第三の方式に関するものである。
【０００７】
インクジェットプリントヘッドは、１つのヘッドにノズルを複数配列するのが一般的である。このタイプを製作する場合は、次のような製作方法がとられる。
【０００８】
まず、圧電素子固定板に複数の積層圧電素子棒を接着し、この圧電素子棒を例えばダイシングソーなどで切断して、圧電素子片１個がノズル１個に対応するようにする。
【０００９】
また、寸法精度を向上させる方策として、前記圧電素子固定板に前記積層圧電素子棒を接着し、次に、前記圧電素子固定板上の特定の位置を基準に、前記特定の位置から前記積層圧電素子棒のｄ３３方向の自由端側の端面と側面が接する１辺までの距離並びに前記積層圧電素子棒のｄ３３方向の自由端側の端面と側面とが接する２辺間の距離を、一定の値になるように前記圧電素子固定板上の特定位置を基準にダイシング加工する。
【００１０】
近年、インクジェットヘッドの記録密度の向上を図るべく、ノズルピッチが小さくなる傾向にある。これに伴って圧力室も高密度化し、圧力室の幅が小さくなるので、圧力室を効率的に変形させるため、圧力室の中心に圧電素子の変位を伝えることがより重要になる。すなわち、圧電素子と振動板の位置関係によっては、各ノズル間のバラツキ、インクミストの発生等、印刷結果に多大な悪影響を与える。
【００１１】
そこで、圧電素子の変位を正確に振動板の所定の位置に伝え、圧力室全体を効率的に変形させる必要上、各圧力室の振動板の所定の位置に凸部、いわゆるアイランド部を形成し、その周囲を厚さ１〜４０μｍ程度の弾性変形可能な薄肉部として、アイランド部に圧電素子を接着し、圧電素子の変位を振動板に伝達する方式が採られている。
【００１２】
一方、ノズルピッチを小さくした場合、圧力室全体のコンプライアンスも小さくなる。そこで、振動板の薄肉部をさらに薄くしたり、アイランドの面積を小さくすることで、前記コンプライアンスが適当な値になるように調整している。
【００１３】
上記構成においても、圧電素子は従来と同等の変位量が必要であり、結果的に圧電素子の発生力も同等となる。
【００１４】
ここで、圧力室のコンプライアンス調整のため、薄肉部を従来より薄くした場合、繰返し疲労により、薄肉部が破損する場合がある。
【００１５】
また、アイランドの面積を小さくした場合は、圧電素子とアイランドの接着面積も小さくなり、圧電素子とアイランドの接着部が剥離する場合がある。
【００１６】
特にｄ３３型の圧電素子を用いた場合、その構造上、アイランドと当接する面において、アイランドの長軸方向の中央部の変位量が大きいので、薄肉部の中央部付近から破損または圧電素子とアイランドの接着部の中央部付近が剥離しやすい問題がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、アイランド部を有する振動板の耐久性向上及び圧電素子とアイランド部の接着部の耐久性向上とを図ることができるインクジェットヘッドの構造を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明では、インクを蓄える圧力室と、圧電素子固定板に固定されて電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成し、前記圧電素子が連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給するインク供給口と、該インク供給口にインクを供給する共通インク流路と、インク滴を圧力室から噴射するオリフィスから構成されたノズルを複数配列し、前記圧力室は、その長軸方向の一端でオリフィスに、また他端でインク供給口に連通して、前記振動板は、一方向を長軸とする扁平な凹部として形成され、周囲が薄肉部のアイランド部を有し、前記圧電素子の変位を前記アイランド部を介して前記圧力室に伝達するインクジェットヘッドにおいて、前記圧電素子は内部電極と圧電材料とを交互にインク吐出方向に積層された積層圧電素子で、該積層圧電素子の前記インク吐出方向の自由端側の端面が前記アイランド部に固定され、該アイランド部は、その長軸方向の端部側の幅を中央部の幅より狭く、かつ該中央部の幅を前記積層圧電素子の幅より広い形状とすることを特徴とする。
【００２０】
また、前記アイランド部は少なくとも２個以上に分割されていることを特徴とする。
【００２１】
また、前記アイランド部は、その長軸方向または短軸方向あるいはその両方の軸方向において、少なくとも２個以上に分割されていることを特徴とする。
【００２２】
また、前記２個以上に分割されているアイランド部は、１個あたりの面積が異なり、その長軸方向のアイランド部の端部側の面積が小さく、中央部で大きくなるように形状が選択されていることを特徴とする。
【００２３】
また、前記２個以上に分割されているアイランド部は、１個あたりの面積は等しく、その長軸方向の端部側で前記アイランドの数が少なく、中央部で多くなるように形状が選択されていることを特徴とする。
【００２４】
また、前記アイランド部は多角形、楕円形、ひし形、十字形または円形であることを特徴とする。
【００２５】
また、前記アイランドの長軸方向の端部と中央部の幅の比率は、前記アイランド部に当接する前記圧電素子の先端のそれぞれ当接する個所の変位量の比に比例することを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
【００２９】
図１、図２は、本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル部の構成を示す断面図と斜視図である。このヘッドは、入力信号に応じてインクを噴射することにより記録を行うことができる。
【００３０】
図１において、１はオリフィス、２は圧力室、３は振動板、３ａはアイランド、３ｂは薄肉部、３ｃは外周部、４はｄ３３型圧電素子、５は圧電素子固定板、６は共通インク供給路７と圧力室２とを連結し、圧力室２へのインク流入を制御するリストリクタ、７は共通インク供給路、８はリストリクタ６を形成するリストリクタプレート、９は圧力室２を形成する圧力室プレート、１０はオリフィス１を形成するオリフィスプレート、１１は共通インク供給路プレート、１２はフィルタ、１３ａ，１３ｂはｄ３３型圧電素子の内部電極である。
【００３１】
リストリクタプレート９、圧力室プレート１０、共通インク供給路プレート１１は、例えばステンレス材から作られ、オリフィスプレート１１はステンレス材または電鋳法で作製可能なニッケル材から作られている。また、圧電素子固定板６はセラミックス、ポリイミドなどの絶縁物から作られている。
【００３２】
インクは上流から下流へ向かって、図示しないインクタンクから共通インク流路８、リストリクタ６、圧力室２、オリフィス１の順に流れる。
【００３３】
圧電素子４は電位差が生じると伸長するように取り付けられている。このため、圧電素子５の収縮時においては、振動板３は図中下方へ縮み、これによって圧力室２内にインクが充填され、次いで再び電位差が生じると圧電素子４は復元し、振動板３もこれに追従して変形する。そのため、インク滴がオリフィス１から噴射される。
【００３４】
圧力室２は長方形状に形成されているため、隣接ノズル間隔を短くして、高密度に配列でき、しかも軸方向の長さを大きくして容積を確保できる。圧電素子４において内部電極１３ａ、１３ｂは圧力室の長軸方向の中央部を中心に交差する。
【００３５】
図２は、アイランド、薄肉部、外周部及びアイランド部に接着剤で固定される圧電素子の一例を示すもので、圧電素子４と当接する島状の凸部であるアイランド部３ａが形成されている。
【００３６】
アイランド部３ａ及び薄肉部３ｂは、ステンレス、ニッケルなどの金属またはシリコン、ガラス、感光性樹脂などで構成される。これらは、別々の部材を組み合わせる方式と一つの材料を成形する方式の二通りが可能である。
【００３７】
別々の部材を組み合わせる方式の一例としては、ステンレスと感光性樹脂が積層された材料を用い、感光性樹脂の部分を露光、現像することにより、凸状のアイランド部、薄肉部、外周部を高精度で構成することができる。
【００３８】
一つの材料を成形する方式しては、ニッケル等の金属を電鋳（エレクトロフォーミング）で成形あるいはシリコンやガラスをエッチングで成形することができる。
【００３９】
圧電素子４は、アイランド部３ａ上に位置決めし、接着剤で固定する。
【００４０】
これらの製造方法により、圧電素子と振動板の接着位置精度の問題による、ノズル間のバラツキまたはインクミストの発生などは抑制可能である。
【００４１】
ここで、図４に示すように、ｄ３３型圧電素子のアイランド部と当接する長軸方向の長さ１．５ｍｍにおいて、変位量は中央部の方が大きい。これは、圧電素子の構造によるもので、図示しない外部電極と接する端部は内部電極が交差していないので、基本的に変位する力は発生しない。従って、変位量が大きい中央部から、薄肉部が破損したり、圧電素子とアイランドの接着部が剥離しやすい
しかしながら、本例においては、図２に示すように、アイランドを六角形状にして、そのアイランドの幅を圧電素子の変位量にほぼ比例させて、長軸方向の中央部を広くしているので、アイランドと外周部間の薄肉部に作用する応力はほぼ均一で、変位量が大きい中央部から振動板が破損することはない。例えば、圧電素子の変位量は図４に示すように端部で０．２μｍ、中央部で０．４μｍである。そこで、アイランドの形状は圧電素子端部ｗ１で０．０５ｍｍ、中央部ｗ２で０．１０ｍｍとなるようにした。
【００４２】
上述の本発明例においては、アイランド部を六角形として形成するようにしたが、図３（ａ）に示したように楕円形、図３（ｂ）に示すように十字状に中央部がふくらんだ形状、図３（ｃ）に示すようにひし形、図３（ｄ）に示すように２個以上に分割したアイランド部を形成し、段階的に中央部のアイランドを大きくする形状、図３（ｄ）に示すように中央部のアイランドの数を多くしても同様の作用を奉する事は明らかである。
【００４３】
また、アイランドの短軸方向の幅は、圧電素子の幅より長くても短くても構わないが、特に圧電素子とアイランドの接着部の中央部付近の接着強度が問題となる場合、アイランドの長軸方向において端部は圧電素子の幅に対しアイランドの幅が短く、変位量の大きい中央部においては圧電素子の幅に対しアイランドの幅が長くなるようにして中央部の接着強度を向上させることが可能である。
【００４４】
なお、図３（ｄ）（ｅ）に示す２個以上に分割されたアイランド部は、圧電素子の長辺より内側に形成される必要がある。図３（ｄ）（ｅ）に示す形状においては、アイランドの数や大きさによって、薄肉部のコンプライアンスを容易にコントロール可能であり、高ピッチノズルにおいて、振動板のコンプライアンスの設計幅が広がり、ヘッド設計の自由度が広がる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室に圧力変動を発生させる圧電素子、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成し、前記圧電素子と連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路となるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク供給路と、インク滴を圧力室から噴射するオリフィスと、前記圧電素子を固定する圧電素子固定板等によって構成された複数のノズルを有するオンデマンド型インクジェットヘッドで、前記振動板は、一方向を長軸とする扁平な凹部として形成され、前記振動板には周囲が薄肉部のアイランド部を有し、前記圧電素子の変位を前記アイランド部を介して前記圧力室に伝達するインクジェットヘッドにおいて、圧力室の長軸方向におけるアイランド部の中央部の幅を広くしたので、圧電素子の変位量を大きくしても、最も大きく圧電素子が変位する中央付近の薄肉部から優先的に破損または圧電素子とアイランドの接着部の中央部付近から剥離することはない。いいかえれば、従来と同じ圧電素子の変位量でも、より多くの駆動回数に対応でき、長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル断面図。
【図２】本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル斜視図。
【図３】本発明で用いたアイランド部の形状を拡大して示す図である。
【図４】本発明で用いた圧電素子の変位量を示すグラフ及び変位量に合わせてアイランドの短軸方向の幅をかえたものの一例である。
【符号の説明】
１はオリフィス、２は圧力室、３は振動板、３ａはアイランド部、３ｂは薄肉部、３ｃは外周部、４は圧電素子、５は圧電素子固定板、６はリストリクタ、７は共通インク供給路、８はリストリクタプレート、９は圧力室プレート、１０はオリフィスプレート、１１は共通インク供給路プレート、１２はフィルタ、１３ａ,１３ｂは圧電素子内部電極である。

Claims

インクを蓄える圧力室と、圧電素子固定板に固定されて電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成し、前記圧電素子が連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給するインク供給口と、該インク供給口にインクを供給する共通インク流路と、インク滴を圧力室から噴射するオリフィスから構成されたノズルを複数配列し、前記圧力室は、その長軸方向の一端でオリフィスに、また他端でインク供給口に連通して、前記振動板は、一方向を長軸とする扁平な凹部として形成され、周囲が薄肉部のアイランド部を有し、前記圧電素子の変位を前記アイランド部を介して前記圧力室に伝達するインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電素子は内部電極と圧電材料とを交互にインク吐出方向に積層された積層圧電素子で、該積層圧電素子の前記インク吐出方向の自由端側の端面が前記アイランド部に固定され、該アイランド部は、その長軸方向の端部側の幅を中央部の幅より狭く、かつ該中央部の幅を前記積層圧電素子の幅より広い形状とすることを特徴とするインクジェットヘッド。
前記アイランド部は少なくとも２個以上に分割されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
前記アイランド部は、その長軸方向または短軸方向あるいはその両方の軸方向において、少なくとも２個以上に分割されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
前記２個以上に分割されているアイランド部は、１個あたりの面積が異なり、その長軸方向のアイランド部の端部側の面積が小さく、中央部で大きくなるように形状が選択されていることを特徴とする請求項２または３に記載のインクジェットヘッド。
前記２個以上に分割されているアイランド部は、１個あたりの面積は等しく、その長軸方向の端部側で前記アイランドの数が少なく、中央部で多くなるように形状が選択されていることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
前記アイランド部は多角形、楕円形、ひし形、十字形または円形であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
前記アイランドの長軸方向の端部と中央部の幅の比率は、前記アイランド部に当接する前記圧電素子の先端のそれぞれ当接する個所の変位量の比に比例することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。